Кабельные корректоры и зачем они нужны.
Автор: Владимир Куземко
При создании крупных комплексов оборудования часто приходится сталкиваться с необходимостью передачи аналоговых видеосигналов на большие расстояния. Чаще всего эта задача решается при помощи коаксиальной кабельной линии. В зависимости от требуемого качества сигнала и параметров кабеля "большим расстоянием" может оказаться как 2 километра, так и 10 метров. Следует помнить, что после прохождения кабеля любой длины параметры сигнала неизбежно ухудшаются и в ряде случаев, может потребоваться их коррекция. Критерии допустимого ухудшения качества сигнала устанавливаются соответствующими стандартами, например: СCIR REC.601-2 "Encoding parameters of digital television for studious" или ГОСТ Р 50725-94 "Соединительные линии в каналах изображения". Несмотря на различия в области действия, оба стандарта, кроме прочего, оговаривают допустимые параметры любых соединительных линий, являющихся элементами вещательного тракта. Требования этих стандартов весьма жесткие (особенно CCIR 601) и рассчитаны на "идеальное" качество сигналов. В реальном случае допустимое ухудшение качества определяется не стандартом, а реальным качеством оборудования и проходящих сигналов, так что границы допустимого могут быть значительно шире.
Длина одной кабельной линии, вносящей максимально допустимые потери, приведена в таблице (значения приблизительные, учитывающие типичные параметры оборудования соответствующего класса).
Для оценки длины линий, не требующих коррекции, соответствующие значения нужно разделить на 2..5, в зависимости от требований к параметрам тракта, реального размера системы и количества соединительных линий в тракте сигнала.
В идеальном случае, любые линии большей длины требуют коррекции, однако обычно стараются использовать минимальное число корректоров, концентрируя их на входе центрального коммутатора, микшера или модулятора.
При прохождении каждого из участков тракта сигнал получает различные искажения, которые можно разделить на линейные и нелинейные. Линейные искажения в большинстве случаев являются обратимыми и поддаются коррекции. Нелинейные обратимы далеко не всегда и их коррекция может представлять собой достаточно сложную задачу. Линейные искажения одинаково влияют на все элементы сигнала, нелинейные могут воздействовать на них по-разному. Например, в выходном каскаде передатчика возникают нелинейные амплитудные искажения, сильно изменяющие форму синхроимпульса и почти не влияющие на смысловую часть сигнала.
В зависимости от физических принципов построения тракта, возникают различные виды искажений: в радиорелейном тракте - один тип искажений, в магнитной записи - другой, в цифровых устройствах - третий. Для компенсации каждого типа искажений требуются специальные приемы.
Рассмотрим типичные искажения, возникающие в видеосигнале при прохождения длинных коаксиальных линий и соответствующие корректоры.
Такие искажения довольно хорошо изучены и могут быть рассчитаны теоретически. Подробный анализ этих искажений приведен в книге Стрижевского Н. З., "Коаксиальные видеолинии," (Москва: Радио и Связь, 1988), который является разработчиком целого семейства кабельных корректоров, применяющихся вплоть до настоящего времени.
Итак, какие же типичные искажения наблюдаются при прохождении длинных коаксиальных линий?
Переотражения. Одно из основных требований к коаксиальным линиям - согласование сопротивлений источника и приемника с волновым сопротивлением кабеля. В противном случае в точках соединения кабеля с источником и потребителем, а также на неоднородностях кабеля (например, при соединении кабелей различного типа), будет наблюдаться отражение волны, что на временной характеристике тракта видно как запаздывающие переотражения (рис.1).
рис. 1, запаздывающие переотражения
А на частотной - как колебательные искажения АЧХ (рис.2).
рис. 2, колебательные искажения АЧХ
Частотные искажения, вносимые в сигнал коаксиальными линиями, обусловлены в диапазоне частот до 20 кГц переменным волновым сопротивлением и неоднородностью кабеля, а в диапазоне выше 20 кГц - возрастающим с ростом частоты затуханием в кабеле. Возрастание сопротивления кабеля с увеличением частоты обусловлено скин-эффектом. Это явление вызывает во временной области затягивание фронта прямоугольного импульса (рис. 3).
рис. 3, затягивание фронта прямоугольного импульса
А в частотной области выглядит, как уменьшающийся с ростом частоты коэффициент передачи тракта (рис. 4).
рис. 4, зависимость коэффициента передачи тракта от частоты
Частотные потери, связанные с затуханием в диэлектрике, в диапазоне частот реального видеосигнала практически незаметны и становятся существенными лишь в радиодиапазоне.
Еще одна проблема, возникающая при передаче сигналов по коаксиальным линиям - это проникновение помех в проходящий сигнал. Эти помехи могут быть синфазными, наводящимися как на центральную жилу, так и на оплетку кабеля, или дифференциальными, складывающимися с полезным напряжением сигнала. Основным источником и тех и других 50 Гц и 100 Гц помех обычно является разность потенциалов земли на приемном и передающем концах.
Таким образом, задача оптимальной кабельной коррекции состоит в том, чтобы:
- максимально эффективно подавить помехи, возникающие при прохождении тракта. Это достигается: для синфазных помех -
дифференциальным приемом с корректным заземлением источника и приемника, разрывом земель в цепи "источник - приемник"
и изоляцией кабеля по всей длине, а для дифференциальных - привязкой уровня черного на приемном конце;
- скорректировать частотную характеристику тракта для компенсации потерь, вносимых коаксиальной линией;
- согласовать сопротивления источника и приемника с волновым сопротивлением тракта для исключения переотражений.
Эти задачи требуют различного подхода к решению, и, в общем случае, не перекрываются. Так, например, нельзя с помощью частотной коррекции устранить несогласование.
Для частотной коррекции, как правило, применяются многополюсные многозвенные регулируемые частотнозависимые цепи в обратной связи усилителя-корректора. Они обеспечивают в частотной области характеристику с коэффициентом передачи (рис. 5), увеличивающимся с ростом частоты, обратную, показанной на рис. 4.
рис. 5, коэффициент передачи корректора
Реальная форма искажений определяется (рассчитывается или измеряется) для каждого конкретного типа кабеля. Многие производители корректоров, предполагая, что будет использоваться определенный тип кабеля, предлагают стандартные цепи коррекции, что дает возможность оператору установить регулятор в положение, соответствующее длине линии, и, тем самым, произвести оптимальную коррекцию в необходимой полосе частот. Если заранее неизвестен тип используемого кабеля, пользователю обычно предоставляется возможность корректировать АЧХ в нескольких точках, добиваясь оптимальной коррекции искажений. На рис. 6 показана типичная АЧХ корректора, где указаны области коррекции, соответствующие каждой из регулирующих цепей.
рис. 6, АЧХ корректора
Во временной области эта схема отображена на рис. 7. Каждая из цепей имеет свою постоянную времени и воздействует на отдельные компоненты сигнала.
рис. 7, действие корректирующих цепей на форму прямоугольного импульса
Для правильной установки параметров коррекции используют сигналы тестовых строк (ГОСТ 18471-83), вводимые в передаваемые изображения у источника сигнала и телевизионный осциллограф с блоком выделения строки (WFM) на приемном конце. Анализируя искажения различных элементов тест-строки, можно отрегулировать корректор для достижения максимальной достоверности передачи сигнала. Типичная картина искажений различных элементов тест-строки (затягивание фронтов прямоугольного импульса [1], уменьшение амплитуды контрольных пакетов [2], 2-Т [3] и 20-Т [4] после прохождения длинной коаксиальной линии приведена на рисунке 8.
рис. 8, Типичные искажения элементов тест-строки после прохождения 650 м кабеля РК-75-4-37
На рисунке 9. показана эта же строка после коррекции.
рис. 9, тест-строка после коррекции
В корректорах серий LC, VCD и VCR, выпускаемых фирмой ЛЭС, предусмотрены регулировки семи линейных и одной резонансной цепи.
Регулятор "Усиление" регулирует размах сигнала равномерно во всем частотном диапазоне. Регулятор "Вершина" позволяет выравнивать общий перекос вершин импульсов белого или черного (рис. 10, элементы В2, С1). Остальные регулировки "Угол", "Фронт", "2Т", "ВЧ" и "ВЧ1" предназначены для регулирования формы фронтов и амплитуды высокочастотных элементов видеосигнала (рис. 10, элементы C1, В1, F и C2).
рис. 10, элементы тест строки до и после прохождения кабельной линии
Изменения, происходящие при подстройке регуляторов "Вершина", "Угол" и "Фронт" хорошо видны на осциллограмме тест-строки как изменение формы переднего фронта элементов С1 и В2. Регулировки "2Т", "ВЧ" и "ВЧ1" можно контролировать как по амплитуде 2Т импульса (элемент В1), 20Т - импульсов (элемент F) и контрольных пакетов (элемент С2), так и по изменению АЧХ. Для грубой настройки кабельной линии можно использовать любой телевизионный сигнал, содержащий высокочастотные элементы (резкие переходы, фронты импульсов белого). Изменения, вносимые регуляторами видны на рис. 11. В качестве источника такого сигнала может служить генератор черного поля, компьютерные платы и т.п., не рекомендуется использовать эфирные или воспроизводимые с видеомагнитофона сигналы.
рис. 11, влияние регуляторов корректора на форму фронта импульса белого
Практика показывает, что кроме расчетных корректирующих RC-цепочек иногда бывает необходима коррекция искажений в достаточно узком частотном диапазоне, обычно в области частот от 4 МГц до 6 МГц. Для этого применяют узкополосную резонансную цепь с перестраиваемой частотой, включенную в обратной связи корректирующего усилителя. Для пользователя это выглядит как две отдельные подстройки: "Частота" и "Уровень" (рис. 12).
рис. 12, дополнительная корректирующая цепь с перестраиваемой частотой
Использование этих подстроек совместно с регуляторами "2Т" и "ВЧ" позволяет легко скомпенсировать искажения типа "бочка" и "седло" (рис. 13).
рис. 13, искажения типа "бочка" и "седло"
Задача подавления синфазных помех (фоноподавление) в корректорах фирмы ЛЭС решается применением дифференциальных приемников на входах. Следует помнить, что основным источником 50 и 100 Гц помех в видеосигнале являются токи, вызванные разностью потенциалов земли в различных типах оборудования, протекающие по оплетке кабелей. Высокоточные дифференциальные приемники фирмы Analog Devices обеспечивают надежный прием и эффективное фоноподавление даже при высокой амплитуде синфазных сигналов (в некоторых моделях до +10 В), при этом коэффициент подавления синфазных сигналов достигает 78 дБ на частоте 50 Гц и 40 дБ на частоте 1 МГц.
Практика показывает, что точность изготовления современных качественных кабелей позволяет отказаться от применения дополнительной подстройки согласования и ограничиться применением высокоточных номиналов входных и выходных резисторов.
Кроме прочих возможностей, корректоры фирмы ЛЭС серий VCD и VCR обеспечивают корректную привязку уровня черного. Выполненная на базе стробируемого интегратора в цепи обратной связи, привязка позволяет "мягко" зафиксировать уровень черного и эффективно подавить дифференциальные сетевые помехи, практически не увеличивая уровень разнояркостности строк.
Также необходимо рассказать о передаче звуковых сигналов на большие расстояния. Здесь применяются те же приемы, что и для видеосигналов, но ситуация существенно упрощается за счет более низкой полосы частот. Для качественной передачи звуковых сигналов на расстояние до 1 км обычно достаточно применения дифференциального приема, одной регулировки коэффициента передачи, низкого выходного сопротивления источника и способности работы выходного буфера источника на большую емкость. Обязательными условиями низкого уровня шумов и помех являются заземление приемника и источника и электрическая симметрия линии, источники и приемника сигналов (это, в частности, означает, что недопустимо заземлять один из проводов симметричной пары длинной линии и использовать несимметричные входы/выходы). В ряде случаев (для линий 500 - 1500 м) может потребоваться небольшая (+/-3 дБ) частотная коррекция в высокочастотной и низкочастотной областях. Конкретный вид коррекции зависит от типа кабеля и выходного сопротивления источника сигнала.
При передаче звуковых сигналов на расстояния значительно большие километра, существенным становится как выходное сопротивление источника, так и свойства самого кабеля.
Принятое для звуковых сигналов сопротивление нагрузок в 600 Ом ведет свою историю от воздушных телефонных линий начала века, имевших такой характерный импеданс и согласованных с обоих концов. В дальнейшем линии перестали согласовывать, но значение осталось, как память. Используемые в настоящее время линии имеют импеданс 90 - 120 Ом и являются для источника емкостной (при длине до 500 м) или резонансной (при больших длинах) нагрузками. Выходное сопротивление источника 50-70 Ом почти полностью компенсирует резонансную компоненту для линий длиной до 1 км. Для более длинных линий используют как активную регулировку АЧХ, так и пассивный LC корректор.
В новой серии корректоров фирма ЛЭС уделила большое внимание надежности всего комплекса. Для ее обеспечения в корректорах кассетного типа предпринят ряд мер. Первая мера - это анализ наличия кадровых и строчных синхроимпульсов на каждом из входов, который позволяет оперативно зафиксировать пропадание видеосигнала и произвести переход на резервную линию в ручном или автоматическом режиме. Переход на резерв осуществляется с помощью релейного коммутатора на выходе основного модуля корректора. Интересная новая возможность, которую предоставляют пользователю корректоры фирмы ЛЭС, заключается в удаленном контроле и управлении переходом на резерв. Многоканальный пульт управления и индикации, соединенный с корректором скоростным цифровым каналом, может быть удален на расстояние до 1 км. Дополнительную надежность обеспечивает двойной источник питания с возможностью работы от разных фидеров. Смена модулей и блоков питания может производиться "на ходу" без нарушения тракта прохождения сигналов.
Владимир Куземко (ku@les.ru)
© 2000 ЛЭС ТВ
Вернуться к списку статей